《現(xiàn)代材料分析方法》課程教學(xué)改革探索與研究

摘要：本文針對(duì)作者在《現(xiàn)代材料分析方法》課程中的教學(xué)實(shí)踐中所遇到的問題，提出四個(gè)方面的教學(xué)改革方案，即模塊化教學(xué)內(nèi)容、場景化教學(xué)方式、虛擬儀器教學(xué)軟件和動(dòng)畫多媒體輔助、實(shí)踐教學(xué)強(qiáng)化。這幾個(gè)教改方案相互貫通，使該課程的課程體系更加明確、重點(diǎn)難點(diǎn)更易理解，收到了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；模塊化；場景化；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）20-0065-02

新材料是國家三大支柱產(chǎn)業(yè)之一，材料學(xué)相關(guān)人才的培養(yǎng)也必須與時(shí)俱進(jìn)，與產(chǎn)業(yè)對(duì)接，與國家重大戰(zhàn)略需求對(duì)接。眾所周知，材料學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用之間關(guān)系的一門學(xué)科，材料結(jié)構(gòu)與性能的檢測(cè)都需要特定的研究方法。隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，新材料逐漸趨于納米化、智能化、復(fù)合化，對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能的研究越來越依賴于先進(jìn)的材料檢測(cè)手段?！冬F(xiàn)代材料分析方法》課程是關(guān)于材料結(jié)構(gòu)和性能表征方法的一門課程，主要講述材料微觀結(jié)構(gòu)、形貌、成分、物理性質(zhì)的檢測(cè)和表征方法，講述相關(guān)的大型儀器設(shè)備，如X射線衍射、透射電鏡、掃描電鏡等的工作原理、樣品適用范圍、數(shù)據(jù)處理與分析等，作為一門材料學(xué)核心課程，它在整個(gè)材料學(xué)知識(shí)體系中有至關(guān)重要的作用，理工科院校的材料科學(xué)與工程專業(yè)基本都開設(shè)了該課程。與材料學(xué)其他基礎(chǔ)課程，如《材料科學(xué)基礎(chǔ)》、《材料結(jié)構(gòu)與性能》等相比，該課程實(shí)踐性更強(qiáng)，各章節(jié)之間的內(nèi)在聯(lián)系不夠密切，教學(xué)重點(diǎn)和難易程度不易把握，經(jīng)過幾年教學(xué)方法的探索以及教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)出如下的教學(xué)改革方案。

一、模塊化教學(xué)內(nèi)容

改變傳統(tǒng)的章節(jié)式教學(xué)方式，采取模塊化教學(xué)方式。按材料分析所涉及的不同類別，將課程教學(xué)內(nèi)容分為四大部分：（1）顯微分析部分，主要是運(yùn)用顯微分析手段來檢測(cè)材料內(nèi)部和表面的形貌特征。所涉及的大型儀器包括光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、原子力顯微鏡等。（2）結(jié)構(gòu)分析部分，主要是分析材料的微觀晶體結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)、缺陷、分子結(jié)構(gòu)等，儀器包括X射線衍射、電子衍射、拉曼光譜、紅外光譜等。（3）成分分析部分，含定性和定量成分檢測(cè)，包括電子能譜、X射線光電子能譜、俄歇電子能譜等。（4）性能分析部分，包括熱分析、光學(xué)性質(zhì)分析、電學(xué)性質(zhì)分析、磁學(xué)性質(zhì)分析等。這樣做首先可以讓學(xué)生對(duì)整個(gè)課程體系有清晰的了解；其次便于學(xué)生比較和運(yùn)用各種分析手段以解決實(shí)際問題。比如遇到成分分析的問題，學(xué)生便可快速搜索已學(xué)過的成分分析模塊具體有哪些手段，比較幾種分析手段的優(yōu)缺點(diǎn)，確定最適合的成分分析方式。這幾大模塊內(nèi)容并非完全孤立，而是有一定的交叉。比如電子能譜、電子衍射和電子顯微鏡都是利用高能電子束與材料的相互作用所得到的信息，可分別用來進(jìn)行成分分析、結(jié)構(gòu)分析和形貌分析。一種材料微觀結(jié)構(gòu)的確定要綜合結(jié)合其形貌特征、成分特征與其顯微圖像，才能獲得完整的信息。在教學(xué)過程中對(duì)這些交叉內(nèi)容向?qū)W生不斷滲透，使學(xué)生對(duì)材料的研究方法有整體的認(rèn)知。

二、場景化教學(xué)方式

針對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容章節(jié)之間聯(lián)系不夠緊密的狀況，以場景化教學(xué)方式串聯(lián)各大模塊的教學(xué)內(nèi)容。以科研反哺教學(xué)，老師結(jié)合自己的科研工作，在課堂中穿插提出各種材料分析相關(guān)的實(shí)際問題，讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)提出相應(yīng)的研究方法，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)也可使課程幾大內(nèi)容模塊之間很好地結(jié)合起來。在上課時(shí)我曾提出某企業(yè)中實(shí)際遇到的技術(shù)難題，即鋰離子電池負(fù)極石墨材料的表面包覆問題，他們迫切需要得出該企業(yè)的石墨表面涂覆材料和國外龍頭企業(yè)的涂層之間有什么區(qū)別，為什么會(huì)導(dǎo)致充放電性能的差別。我啟發(fā)學(xué)生去思考如何運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決這一實(shí)際問題，學(xué)生表現(xiàn)出極大的興趣，他們提出要綜合結(jié)合石墨顆粒形貌表征、成分分析、拉曼光譜分析等手段來進(jìn)行分析，雖然他們所提出的樣品表征方案不盡全面，但針對(duì)這一問題，學(xué)生有廣泛的參與度，達(dá)到了很好的教學(xué)效果。再如課程結(jié)束后，我會(huì)拿一些實(shí)驗(yàn)室的樣品，告訴學(xué)生一些基本描述，讓學(xué)生制定一套方案來檢測(cè)樣品的結(jié)構(gòu)、形貌、成分以及物理性質(zhì)，這樣可以讓學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)來對(duì)一個(gè)材料來進(jìn)行分析。場景化的教學(xué)還包括與學(xué)生所學(xué)的其他課程之間的互動(dòng)，比如針對(duì)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》一門課所講述的不同晶體結(jié)構(gòu)，可以讓學(xué)生去思考這些不同的晶體結(jié)構(gòu)如何用實(shí)驗(yàn)手段加以區(qū)分，其X射線衍射峰會(huì)有什么區(qū)別。毫無疑問，場景化的教學(xué)對(duì)于《現(xiàn)代材料分析方法》這門實(shí)踐性強(qiáng)的課程有重要的意義。

三、虛擬儀器教學(xué)軟件和多媒體動(dòng)畫輔助

虛擬儀器教學(xué)軟件對(duì)于教會(huì)學(xué)生如何分析處理數(shù)據(jù)有重要的作用。對(duì)于透射電鏡、X射線衍射儀等大型設(shè)備，讓每個(gè)本科生親自操作做實(shí)驗(yàn)幾乎不可能，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)幾乎都以觀摩為主。虛擬儀器教學(xué)軟件以在儀器本身所附帶的軟件的基礎(chǔ)上，針對(duì)某一種分析儀器，讓學(xué)生通過軟件選擇所需要設(shè)定的參數(shù)，模擬測(cè)試過程，輸出測(cè)試結(jié)果，然后通過軟件對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，這對(duì)學(xué)生深入理解實(shí)驗(yàn)過程、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)有很好的幫助。如學(xué)生可以學(xué)會(huì)如何通過Jadd軟件來標(biāo)注X射線的衍射峰。我的學(xué)生作為一個(gè)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目，開發(fā)了一套拉曼光譜的虛擬儀器教學(xué)軟件，在課堂上使用后收到了很好的教學(xué)效果。多媒體動(dòng)畫主要是模擬儀器的基本工作原理，借助于動(dòng)畫讓學(xué)生對(duì)某一種儀器的工作原理有更深入的理解。如在X射線衍射部分，可以通過動(dòng)畫讓學(xué)生理解布拉格衍射發(fā)生的條件；原子力顯微鏡部分，通過動(dòng)畫可以讓學(xué)生清晰地理解接觸模式、輕敲模式等。動(dòng)畫和文字相結(jié)合的描述使學(xué)生同時(shí)有感性認(rèn)識(shí)和理論知識(shí)，要有機(jī)結(jié)合，有時(shí)一個(gè)簡單的動(dòng)畫勝過一堆的文字描述。

四、實(shí)踐教學(xué)強(qiáng)化

《現(xiàn)代材料分析方法》是一門實(shí)踐性強(qiáng)的課程，學(xué)生需要對(duì)所講授的各種儀器有感性認(rèn)識(shí)，對(duì)于深入理解儀器構(gòu)造及工作原理等是十分重要的，實(shí)踐教學(xué)是必不可少的。應(yīng)安排一定學(xué)時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生去觀摩透射電鏡等大型儀器，了解儀器的基本結(jié)構(gòu)和操作方法、樣品適用范圍，這比純粹的課堂內(nèi)理論教學(xué)效果要好很多倍。本課程課內(nèi)實(shí)驗(yàn)所涉及的大型儀器多，且大多儀器使用率高，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)定上，要結(jié)合本單位所具備的大型儀器設(shè)備條件，還要與實(shí)驗(yàn)中心一起制定完善的實(shí)驗(yàn)方案，使學(xué)生盡可能近距離接觸課堂上所講述的各種大型儀器設(shè)備。另外，實(shí)踐教學(xué)可與大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目相結(jié)合，讓學(xué)生在完成科技創(chuàng)新項(xiàng)目的過程中學(xué)會(huì)使用儀器，在儀器使用過程中注重領(lǐng)會(huì)其適用范圍、優(yōu)缺點(diǎn)，學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)處理的方法。在實(shí)際教學(xué)過程中，必須注重理論知識(shí)的傳授與學(xué)生的課外實(shí)踐相結(jié)合，以達(dá)到最佳授課效果。

這些教學(xué)改革方案的實(shí)施，離不開老師對(duì)課程核心教學(xué)目的準(zhǔn)確把握。我們認(rèn)為，對(duì)于本科教學(xué)而言，我們不期望學(xué)生能夠掌握各種儀器的工作原理，而是希望學(xué)生能夠知道如何利用這些分析手段來研究材料。研究生的教學(xué)可以側(cè)重于對(duì)儀器原理的介紹，使學(xué)生駕馭和利用儀器的能力進(jìn)一步增強(qiáng)并可做適當(dāng)?shù)亩伍_發(fā)，更好地服務(wù)于科研。有了這個(gè)指導(dǎo)思想后，在教學(xué)過程中就可以把握重點(diǎn)，掌握難易程度，從而可以更加游刃有余地運(yùn)用各種教學(xué)手段，達(dá)到理想的教學(xué)效果。本文所提出的四點(diǎn)教學(xué)改革方案經(jīng)過幾年的實(shí)踐，已達(dá)到了良好的預(yù)期效果，學(xué)生在大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目以及畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上表現(xiàn)得尤為明顯，能夠主動(dòng)利用相關(guān)儀器進(jìn)行科學(xué)研究工作，培養(yǎng)的畢業(yè)生具有研究能力和實(shí)踐動(dòng)手能力強(qiáng)、進(jìn)入工作狀態(tài)快的特點(diǎn)，得到了知名大學(xué)和用人單位的認(rèn)可。